CN103826776A

CN103826776A - 铸模设计方法和铸模

Info

Publication number: CN103826776A
Application number: CN201280046666.XA
Authority: CN
Inventors: 堤一之; 片冈保人
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Shengang Compressor Co.,Ltd.
Priority date: 2011-09-27
Filing date: 2012-09-27
Publication date: 2014-05-28
Anticipated expiration: 2032-09-27
Also published as: WO2013047692A1; KR101639142B1; US20150231692A1; KR20140050745A; CN103826776B; JP5839582B2; JP2013082003A

Abstract

在本发明中，不仅由变形分析软件（23）求得从铸件的凝固开始时至冷却结束的变形量，而且还由变形分析软件（22）求得从浇注至凝固开始时的铸模的变形量。基于所求得的铸模和铸件的变形量设计型腔形状，由此使凝固开始时的铸模的型腔形状反映到铸模设计上，从而能够进一步提高近净形的精度，并且，能够防止铸造后的铸件成品发生尺寸不足。

Description

铸模设计方法和铸模

技术领域

本发明涉及设计铸模的型腔形状的铸模设计方法和铸模。

背景技术

铸造铸件的铸模一般使用砂模。如果铸造形状复杂的铸件等时，也有铸模由主模体和模芯构成的情况。形成砂模的型砂多使用硅砂，通常，为了提高模具制作性而混炼树脂等的粘合剂。

在铸件业界，为了减少铸造后的铸件的加工余量，使浇铸的铸件成品形状接近最终制品形状的所谓近净形（near net shape）化推进。在这样的近净形铸造中，预计被称为缩尺的铸件的热收缩量而设计铸模的型腔形状。例如，铸件材料为灰口铸铁和球状石墨铸铁时，预期会有0/1000～15/1000左右的缩尺。因为有这样的变动幅度，所以在铸造长度尺寸和外径尺寸为200mm以上的大铸件时，加工余量将在0～3mm以上的范围内变化。因此，铸造作为近净形化之一的目标的加工余量低于3mm的铸件困难。

为了提高这样的近净形铸造的精度，提出了采用沿用至今的缩尺的这种经验性的铸模设计方法的替代方法。例如，提出有这样一种铸模设计方法，其是根据作为数值分析的一种手法的有限元法，计算铸件在凝固/冷却时的收缩和热变形，基于该计算结果，决定铸造用模型的形状，即铸模的型腔形状（例如，参照专利文献1）。

在专利文献1所述的方法中，运用有限元法，实施凝固/冷却时的铸件和铸模的温度计算，和基于此的热应力/变形计算，由此预测的铸件的收缩/热变形被反馈到铸模的型腔形状的设计中。另外，在铸件的热应力和变形分析中，还要考虑到铸模的变形阻抗和铸件与铸模界面的动力边界条件。

还有，已知在浇注时的铸模中，由于浇注的熔液，引起被称为水气张力的静压力从内侧起作用，发生由此静压力引起的变形。抑制该静压力造成的铸模的变形的手段提出有几个（例如，参照专利文献2）。这些手段均是拘束铸模的外侧而抑制变形，无法使静压力造成的铸模的变形量化。

先行技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开平11－320025号公报

专利文献2：日本特开2001－259798号公报

在专利文献1所述的铸模设计方法中，考虑到凝固/冷却时的铸件的收缩和热变形。但设想的是，在铸造工序中，由于高温的熔液导致铸模从浇注至开始凝固之间发生热变形，由此热变形导致凝固开始时的铸模的型腔形状发生变化。因此，只考虑了铸件的收缩和热变形，这就存在不能充分确保型腔形状的设计精度的问题。另外，因为预想的是，因熔液造成的铸模的热变形导致型腔缩小，因此铸造后的铸件成品的加工余量欠缺，有可能发生尺寸不足的不合格品。

发明内容

因此，本发明的课题是，进一步提高近净形铸造的精度，并且，使铸造后的铸件成品不会发生尺寸不足而设计铸模的型腔形状。

为了解决上述的课题，本发明是基于数值分析来设计浇注熔液、铸造铸件的铸模的型腔形状的铸模设计方法，其中，对于从所述熔液浇注至凝固开始的所述铸模因热而发生的变形进行数值分析，求得从浇注至凝固开始时的铸模型腔的形状变化量，对于从所述铸件的凝固开始至冷却结束的因凝固和冷却带来的变形进行数值分析，求得从凝固开始至冷却结束的铸件的形状变化量，基于所求得的铸模型腔的形状变化量和铸件的形状变化量，设计所述铸模的型腔形状。

即，在本发明中，通过数值分析，不仅求得从能够形成铸件的外壳的凝固开始时至铸件达到常温的冷却结束的形状变化量，而且求得从浇注至凝固开始时的铸模型腔的形状变化量。然后，基于这些铸模型腔的形状变化量和铸件的形状变化量，设计铸模的型腔形状，由此能够使凝固开始时的铸模型腔形状反映到铸模设计中。据此，能够进一步提高近净形的精度，并且，能够避免铸造后的铸件成品尺寸不足。

所述铸件的长度尺寸或外径尺寸为200mm以上时，能够更有效地减少铸件成品的加工余量，能够使加工余量低于3mm。

所述铸件轴向具有大直径部小直径部时，也能够更有效地减少铸件成品的加工余量，特别是能够以避免小直径部发生尺寸不足的方式减少加工余量。这是由于，形成小直径部的铸模的部位，相比形成大直径部的铸模的部位而言，因铸模的热变形引起的型腔的缩小程度更大。

通过考虑用于所述铸模因热引起的变形的数值分析的铸模材料的物性值的温度依存性，能够更高精度地对于铸模的热变形进行数值分析。还有，作为该铸模材料的物性值，可列举线性膨胀系数、杨氏模量等、。

加进浇注于所述铸模的熔液的静压力引起的铸模的变形，求得所述铸模型腔的形状变化量，由此能够进一步提高近净形的精度。

另外，在本发明中，在浇注熔液而铸造铸件的铸模中，也可以采用以上述任意一种铸模设计方法设计型腔形状的构成。

根据本发明的铸模设计方法，通过数值分析，不仅求得从能够形成铸件的外壳的凝固开始时至铸件达到常温的冷却结束的形状变化量，而且求得从浇注至凝固开始时的铸模型腔的形状变化量。基于这些铸模型腔的形状变化量和铸件的形状变化量，设计铸模的型腔形状，因此能够进一步提高近净形的精度，并且，能够防止铸造后的铸件成品尺寸不足。

附图说明

图1是表示应用了第一和第二实施方式的铸模设计方法的铸模的例子的纵剖面图。

图2是表示以图1的铸模铸造的铸件成品的正视图。

图3是表示第一实施方式的铸模设计方法的数值分析的步骤和流程图。

图4（a）、（b）分别是第一和第二实施方式中使用的铸模材料和铸件材料的热膨胀图解。

图5（a）、（b）分别是第一和第二实施方式中使用的铸模材料和铸件材料的应力－应变曲线。

图6是表示由第一实施方式的数值分析求得的铸模和铸件的半径方向的变形量的坐标图。

图7（a）、（b）分别是放大显示基于图6的铸模和铸件的变形量而设计的铸模型腔的截面形状的局部的坐标图。

图8是表示第二实施方式的铸模设计方法的数值分析的步骤的流程图。

图9是说明作用于图1的铸模的静压力的纵剖面图。

图10是表示以第二实施方式的数值分析求得的铸模和铸件的半径方向的变形量的坐标图。

具体实施方式

以下，基于附图，说明本发明的实施方式。图1表示适用了第一和第二实施方式的铸模设计方法的铸模1。图2表示以该铸模1铸造的作为铸件成品的螺杆式压缩机用转子11。该螺杆式压缩机用转子11由球状石墨铸铁（JIS；FCD500）形成，轴向的全长为860mm。在轴向具有大直径部和小直径部的螺杆部11a，长度尺寸为460mm，外径尺寸为240mm。

所述铸模1由主模体1a、和铸造螺杆部11a的模芯1b构成，任一种型砂均使用混炼有作为粘合剂的树脂的硅砂。在铸模1中，铸造螺杆式压缩机用转子11的型腔2被纵向形成。在型腔2的上方设有冒口部3，并且设有熔液被浇注的浇注部4，和将浇注的熔液引导到型腔2的横浇口5。

图3表示第一实施方式的铸模设计方法的数值分析的步骤。该数值分析用的软件，由计算熔液的流动、凝固计算和系统整体的传热计算的铸造分析软件21、进行铸模的变形计算的变形分析软件22、进行铸件的变形计算的变形分析软件23构成。在此，铸造分析软件21使用有限元法的计算软件“JSCAST（商品名；クオリカ（QUALICA）社制）”，各变形分析软件22、23使用有限元法的计算软件“ABAQUS（商品名；シムリア（SIMULIA）社制）”。还有，这些计算软件不限定于有限元法，也可以使用差分法等的计算软件。

首先，向所述铸造分析软件21，作为输入数据输入铸造方案（铸模形状、铸件形状、浇注温度、浇注量、浇注速度）、铸模材料的热特性（密度、比热、热传导率）、铸件材料的热特性（密度、比热、热传导率、固相线温度、液相线温度、凝固潜热）和热边界条件（铸模－铸件间的传热系数、铸模－气氛间的传热系数、气氛温度）。然后，利用铸造分析软件21，计算经过各时刻的铸模和铸件的温度分布和铸件的固相率，并且计算熔液的凝固开始时刻T_S。在此，铸件的总表面温度为固相线温度（1140℃）以下，能够形成铸件的外壳的时刻为凝固开始时刻T_S。

其次，向所述变形分析软件22，输入由铸造分析软件21计算的时刻0～T_S的铸模的温度分布，和另行求得的作为铸模材料的物性值的线性膨胀系数和杨氏模量，计算时刻0～T_S之间产生的铸模因热发生的变形量。与此同时，向变形分析软件23，输入由铸造分析软件21计算的时刻T_S～冷却结束时，即铸件达到常温的铸件的温度分布，和另行求得的作为铸件材料的物性值的线性膨胀系数和杨氏模量。然后，计算时刻T_S～冷却结束时之间产生的铸件的变形量。最后，这些计算出的铸模和铸件的因凝固和冷却造成的变形量，与最初输入的铸模的型腔形状进行相加运算，设计型腔形状。

图4（a）、（b）分别是作为所述铸模材料的混炼有树脂的硅砂，和关于作为铸件材料的FCD500的已知的热膨胀线图。表1（a）、（b）分别是根据图4（a）、（b）的热膨胀图解求得的代表性的各温度下的树脂混炼硅砂和FCD500的线性膨胀系数，作为各变形分析软件22、23的输入数据使用。

[表1]

图5（a）、（b）分别是通过各试验温度下的压缩试验求得的铸模材料的应力－应变曲线，和以拉伸试验求得的铸件材料的应力－应变曲线。表2（a）、（b），分别是根据图5（a）、（b）的应力－应变曲线求得的代表性的各温度下的树脂混炼硅砂和FCD500的杨氏模量，作为各变形分析软件22、23的输入数据使用。

[表2]

图6表示由第一实施方式的数值分析求得的各轴向坐标下的铸模和铸件的径向的变形量（半径部分）。图6还显示将铸模和铸件的变形量进行了加法运算的值，还一并显示了铸件成品形状。还有，该铸件成品形状，加工余量预计出2mm。根据此数值分析结果，铸模的变形量，为使型腔缩小的负的值，在铸造铸件的螺杆部的部位，相比螺杆的峰部（大直径部），螺杆的谷部（小直径部）缩小的量大。另外，铸件的变形量，也是直径缩小的负的值，在螺杆部，相比谷部（小直径部），峰部（大直径部）直径缩小量大。其结果是，将铸模和铸件的变形量相加的值，在相当于螺杆部，为一定的负的值（收缩值），以半径量计约3mm，以直径量计约为6mm。还有，虽然图示省略，但在本数值分析，求得铸模和铸件的三维变形量，其轴向的变形量也为负值。

实施例

图7（a）、（b）分别对于螺杆部的峰部和谷部，放大显示基于将图6的铸模和铸件的变形量进行了加法运算的值而设计铸模的实施例的型腔截面形状。在各图中，作为比较例，也显示具考虑凝固开始时至冷却结束的铸件的变形量而进行设计的型腔截面形状。在没有考虑从浇注至凝固开始时的铸模的变形量的比较例中，在图7（b）所示的螺杆部的谷部的收缩量被预计得很小，谷部的型腔直径比实施例设计得小。因此，在螺杆部的谷部截断了2mm的加工余量，铸件成品有可以成为尺寸不足的不合格品。相对于此，在考虑到从浇注至凝固开始时的铸模的变形量的实施例中，螺杆部的收缩量无论是峰部还是谷部都大体上有一定地预计。因此，不用担心铸件成品成为谷部尺寸不足的不合格品，能够减小加工余量，提高近净形的精度。

图8表示第二实施方式的铸模设计方法的数值分析的步骤。该数值分析的基本的步骤，与第一实施方式的大致相同。但是，第二实施方式，在进行图1所示的铸模1的变形计算的变形分析软件22中，加入了因浇注的熔液的静压力引起的铸模1的变形，这一点与第一实施方式不同。第二实施方式的其他的构成与第一实施方式相同，图2所示的作为铸件成品的螺杆式压缩机用转子11由FCD500形成，型砂使用混炼有树脂的硅砂。

即，在第二实施方式中，如图9所示，在型腔2的各部位加进了从内侧作用于铸模1的静压力p引起的变形。若设距熔液表面A的深度为z，熔液的密度为ρ，重力加速度为g，则深度z的位置的静压力p（z）由式（1）表示。

p（z）＝ρ·g·z…（1）

以式（1）求得的各部位的静压力p（z），被垂直附加于变形分析软件22所用的有限元法模型的型腔面的各接触点。

图10表示由第二实施方式的数值分析求得的各轴向坐标下的铸模和铸件的径向的变形量（半径量），和将此铸模和铸件的变形量相加的值。图10还一并表示预计了2mm加工余量的铸件成品形状。还有，轴向坐标，以铸模内的铸件成品的最深位置为原点，轴向坐标越大，距熔液表面的深度z越浅。另外，图10的铸模和铸件的变形量和其相加值，相比表示第一实施方式的数值分析结果的图6而言，放大比例尺显示。

在显示加进了因静压力p造成的铸模的变形的第二实施方式的数值分析结果的图10中，与显示第一实施方式的数值分析结果的图6比较，铸模的变形量向正数侧移动。距熔液表面的深度z越深的区域，即轴向坐标越小的区域，该移动量越大。因此，铸模的变形量，在图6中在铸造螺杆部的几乎全部的部位都成为了使型腔缩小的负值，相对于此，在图10中，可知螺杆的各峰部（大直径部），为扩大型腔的正值。还有，铸件的变形量与第一实施方式相同。其结果是，相当于螺杆部的铸模和铸件的变形量相加的值，负的值（收缩值）的绝对值比图6小，能够更严密地预估收缩值，进一步提高近净形的精度。

在上述实施方式中，铸造的铸件成品，是球状石墨铸铁的螺杆式压缩机用转子。但是，本发明的铸模设计方法和铸模，不限定为球状石墨铸铁的铸件的铸造用，也能够用于灰口铸铁和钢的铸造，也能够用于铝等的非铁金属的铸造。另外，铸件成品也不限定为螺杆式压缩机用转子，特别适合于长度尺寸和外径尺寸为200mm以上的大尺寸的铸件成品，和轴向具有大直径部和小直径部的铸件成品的铸造。

以上，对于本发明的各实施方式进行了说明，但本发明不限于上述的实施方式，只要是专利发明的范围所述，则可以进行各种变更实施。本申请基于2011年9月27日申请的日本专利申请（专利申请2011－211108）和2012年7月24日申请的日本专利申请（专利申请2012－163293），其内容在此作为参照被援引。

符号说明

1 铸模

1a 主模体

1b 模芯

2 型腔

3 冒口部

4 浇注部

5 横浇口

11 螺杆式压缩机用转子

11a 螺杆部

21 铸造分析软件

22、23 变形分析软件

Claims

1.一种铸模设计方法，其特征在于，是基于数值分析来设计浇注熔液而铸造铸件的铸模的型腔形状的铸模设计方法，其中，

对从所述熔液浇注至凝固开始的所述铸模因热而发生的变形进行数值分析，求得从浇注至凝固开始时的铸模型腔的形状变化量，

对从所述铸件的凝固开始至冷却结束的因凝固和冷却造成的变形进行数值分析，求得从凝固开始至冷却结束的铸件的形状变化量，

基于所求得的铸模型腔的形状变化量和铸件的形状变化量来设计所述铸模的型腔形状。

2.根据权利要求1所述的铸模设计方法，其中，所述铸件的长度尺寸或外径尺寸为200mm以上。

3.根据权利要求1所述的铸模设计方法，其中，所述铸件在轴向上具有大直径部和小直径部。

4.根据权利要求1所述的铸模设计方法，其中，考虑所述铸模因热造成的变形的数值分析中所用的铸模材料的物性值的温度依存性。

5.根据权利要求1所述的铸模设计方法，其中，加进浇注到所述铸模中的熔液的静压力引起的铸模的变形来求得所述铸模型腔的形状变化量。

6.一种铸模，其特征在于，在浇注熔液而铸造铸件的铸模中，以权利要求1～5中任一项所述的铸模设计方法设计型腔形状而成。